Dette er venstre ramme i læreverket "Naturfag for alle". Dersom du har kommet hit fra en søkemotor bør du gå til forsiden slik at du kan gå inn i læreverket på riktig måte. Klikk her for å gå til forsiden. Legg merke til kapittelnummeret hvis du vil tilbake hit.

4L Energi, arbeid og effekt

1 Mekanisk arbeid

Til hverdags brukes ordet arbeid på ulike måter. Vi snakker om husarbeid, kontorarbeid, kroppsarbeid, tungt arbeid, lett arbeid, skolearbeid og så videre. Men vitenskapelig brukes begrepet på en mer presis måte:

Vi kaller dette mekanisk arbeid. Det blir utført et arbeid når vi kaster en stein, skyver en barnevogn eller løfter en veske. Anleggsmaskiner utfører arbeid når de flytter jord. Motoren utfører et arbeid når bilen kjører, på flat mark for å overvinne friksjon og luftmotstand, oppover en bakke for også å overvinne tyngdekraften. Det skjer også et arbeid dersom vi knar en deig eller dersom et glass blir knust.

Legg merke til at det er ikke nok at det virker en kraft på et legeme for at et arbeid skal bli utført. Det må også skje en bevegelse. Legemet må flytte på seg - eller forandre form, slik at deler av legemet flytter på seg.

Figur 1. Mekanisk arbeid Nytt vindu

Arbeidets størrelse er proporsjonalt med flytteavstanden og størrelsen av kraften som må overvinnes. Dess lengre flytting og/eller dess større kraft som må overvinnes, dess større arbeid blir gjort:

Arbeid = kraft · avstand

Siden enhet for kraft er newton (N) og enhet for avstand er meter (m), må enhet for arbeid bli newtonmeter (Nm). Men newtonmeter har fått et eget navn, joule, til ære for den engelske fysikeren James Prescott Joule:

1 newtonmeter (Nm) = 1 joule (J)

Vi har altså at dersom en gjenstand blir flyttet 2 m mot en kraft på 100 N, blir det utført et arbeid på 200 J.

2 Effekt

Ofte er vi interessert i å vite hvor fort et arbeid blir utført. Vi trenger derfor et mål for hvor mye arbeid som blir utført per tidsenhet. Dette kalles effekt:

Siden måleenheten for arbeid er Joule, blir enheten for effekt Joule/sekund (J/s). Til ære for den engelske oppfinneren og ingeniøren James Watt har enheten for effekt fått navnet watt (W):

Enheten watt står for en relativt langsom arbeidshastighet. Det er derfor vanlig å bruke enheten kilowatt (kW):

1 kW = 1000 W

Figur 2. Effekt Nytt vindu

3 Energi

For å utføre et arbeid, trengs energi. Uten energi, intet arbeid.

Siden energi er evnen til å utføre arbeid, måler vi energi ved å måle det arbeid den kan utføre. Måleenheten for energi blir derfor den samme som for arbeid, altså Joule.

I kapittel 4C, avsnitt 2 Hva er energi? viste vi at det finnes mange typer energi, men at all energi grunnleggende sett består av to typer, stillingsenergi og bevegelsesenergi.

Figur 3. Energi Nytt vindu

Energioverføring

En bueskytter utfører et arbeid når buen spennes. Dette arbeidet gir buen stillingsenergi. Energi blir overført fra bueskytterens muskler til buen. I det skytteren slipper strengen gjør buen et arbeid på pilen. Dette arbeidet fører til at pilen får bevegelsesenergi og farer avgårde. Energi blir overført fra buen til pilen.

Energien som spenner buen kommer egentlig fra sola: Solenergi i form av elektromagnetisk stråling blir utnyttet av grønne planter til å danne energirike kjemiske forbindelser (karbohydrater, fett og proteiner). Denne energien blir overført til planteetende dyr. Planter (korn, frukt og grønnsaker) og kjøtt fra planteetende dyr er bueskytterens mat. Energien i maten overføres til, blant annet, musklene, som altså spenner buen.

Ser vi på pilen som farer avgårde fra buen, så vil den i sin tur overfører energien sin til

Slik kan vi fortsette. Energien overføres fra sted til sted. Men blir den til slutt borte?

Energibevaring

I tilfellet med bueskytteren er det ikke lett å kontrollere om energien forsvinner. Men tallrike forsøk under kontrollerte betingelser viser at energien ikke forsvinner ved energioverføringene. All energi ser ut til å bli bevart, men altså i en annen form. Dette er grunnlaget for en viktig naturlov. Den kan ikke bevises, den er kun bygget på erfaring.

Ikke bare blir energien bevart, men det er heller ikke mulig å skape energi. Energi stammer alltid fra en energikilde. Denne loven innebærer at energien i universet er konstant.

Virkningsgrad

Ikke all energien i maten vi spiser utnyttes til livsfunksjonene, ikke all energien i strømmen som tilføres en elektrisk lyspære blir omdannet til lys, ikke all energien i bensinen som motoren bruker blir brukt til å drive bilen framover. Forholdet mellom tilført energi og utført, ønsket arbeid kalles systemets virkningsgrad. For bilmotorer kan virkningsgraden være omkring 30 %, for elektriske motorer omkring 60 %. I en vanlig lyspære blir bare 5-10 % av tilført energi til lys, resten blir til varme. Et lysrør, derimot, har en virkningsgrad på nesten 30 %.

Figur 4. Virkningsgrad Nytt vindu

4 Energikilder

Energi som kommer fra sola

Sola består stort sett av hydrogen. Solas indre trykk- og temperaturforhold fører til at hydrogenkjerner reagerer med hverandre og danner helium. Prosessen avgir varmeenergi som strømmer ut til overflaten. Der sendes energien ut i verdensrommet i form av elektromagnetisk stråling.

Kull, olje og naturgass er millioner av år gamle lagre av solenergi. De er rester av planter og dyr som vokste og levde av solenergi gjennom plantenes fotosyntese. Slike gamle energilagre kalles fossil energi. Planter og dyr i som lever i dag er nye lagre av solenergi. Dette er bioenergi.

Hydroenergi, oftest kalt vannkraft, utnytter stillingsenergien i høytliggende vannmasser. Sola varmer opp havet. Havvann fordamper og det dannes skyer. Skyene avgir fuktigheten som regn eller snø når de driver inn over land og blir presset opp til kjøligere luftlag. Det er solenergi som har utført arbeidet med å løfte vannet fra havet og inn over land.

Sola lager vind, vind lager bølger. Fra gammelt av ble vind brukt som energikilde for båter og skip. I dag er både bølgeenergi og vindenergi alternativ energikilder.

Energi som ikke kommer fra sola

Jordvarme, atomenergi og tidevannsenergi er eksempler på energikilder som ikke skriver seg fra sola.

Energien fra naturlige radioaktive prosesser er årsaken til at temperaturen i jordskorpen øker med gjennomsnittlig 30 °C per kilometers dybde. Vi sier at den geotermiske gradienten er 30 °C. I vulkanske områder, for eksempel på Island, er gradienten mye høyere. Ved å lede vann gjennom dype borehull kan varmen hentes opp og brukes til boligoppvarming eller elektrisitetsproduksjon.

I atomkraftverk spaltes tunge atomkjerner under kontrollerte betingelser. Dette frigir store energimengder i form av varme. Varmen brukes til produksjon av elektrisitet.

Jordrotasjonen, sammen med månens og solas tiltrekning, er årsaken til tidevann (flo og fjære). På steder der tidevannsstrømmen er sterk kan undervannsturbiner drive elektriske generatorer.

Figur 5. Energikilder Nytt vindu

Varmepumpe

Varme er et annet ord for indre energi, altså den samlede energien til partikkelbevegelsene i et stoff. Det er ganske logisk at partikkelbevegelsene aldri vil kunne øke ved å komme i kontakt med partikler som har langsommere bevegelser, altså kaldere gjenstander. Dette er uttrykt i en annen energilov:

I varmepumpen er det likevel dette som skjer. Ved å utføre et arbeid på et system kan varme beveges mot naturlig bevegelsesretning - på samme måte som en vogn trekkes oppover en bakke ved å utføre et arbeid på den. Men dette gir ingen energigevinst. Energien som oppnås tilsvarer arbeidet som ble brukt (hvis vi antar en virkningsgrad på 100 %). I varmepumpen utnyttes imidlertid fordampningsvarmen på en slik måte at varmeenergien i et kaldt område kostnadsfritt kan flyttes til et varmere. Dette er forklart i figur 6.

Figur 6. Varmepumpe Nytt vindu

Oppgaver

5 Sammendrag

6 Kontrollspørsmål

Svartabell. Klikk på riktige svar. Grønt betyr riktig, rødt betyr feil.

Når du er ferdig, skal 15 ruter være grønne. Greier du å unngå de røde?

  1. Hva er rett om arbeid?
  2. Hva er rett om energi?
  3. Hva er rett om effekt?
  4. Hva måles med enheten Joule?
  5. Energien i universet er ...
  6. Hver gang det utføres et arbeid ...
  7. Virkningsgraden for en bilmotor er ...
  8. Resten av energien i bensinen blir overført til omgivelsene i form av ...
  9. Hvilke energikilder har opprinnelig opphav i sola?

Toppen